激光雷达原理

激光雷达原理读书笔记

第1页共9页 激光雷达原理

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99121-19 邓洪川

一.概念:

“雷达”(Radio Detection and Range,Radar)是一种利用电磁波探测目标位置的电子设备.电磁波其功能包括搜索目标和发现目标;测量其距离,速度,角位置等运动参数;测量目标反射率,散射截面和形状等特征参数。

传统的雷达是微波和毫米波波段的电磁波为载波的雷达。激光雷达以激光作为载波.可以用振幅、频率、相位和振幅来搭载信息，作为信息载体。

激光雷达利用激光光波来完成上述任务。可以采用非相干的能量接收方式，这主要是一脉冲计数为基础的测距雷达。还可以采用相干接收方式接收信号，通过后置信号处理实现探测。激光雷达和微波雷达并无本质区别，在原理框图上也十分类似，见下图

微波雷达

天线

激光雷达

天线

光混频

激光雷达由发射，接收和后置信号处理三部分和使此三部分协调工作的机构组成。激光光速发散角小，能量集中，探测灵敏度和分辨率高。多普勒频移大，可以探测从低速到高速的目标。天线和系统的尺寸可以作得很小。利用不同分子对特定波长得激光吸收、散射或荧光特性，可以探测不同的物质成分，这是激光雷达独有的特性。

目前，激光雷达的种类很多，但是按照现代的激光雷达的概念，常分为以下几种:

(1) 按激光波段分，有紫外激光雷达、可见激光雷达和红外激光雷达。

(2) 按激光介质分，有气体激光雷达、固体激光雷达、半导体激光雷达和二极管激光泵浦固体激光雷达等。

(3) 按激光发射波形分，有脉冲激光雷达、连续波激光雷达和混合型激光雷达等。 显示

控制 信号

处理

本振辐射 收发控制

主频振荡 混频

显示

控制 信号

处理 收发控制

主频振荡 本振辐射 激光雷达原理读书笔记

第2页共9页 (4) 按显示方式分，有模拟或数字显示激光雷达和成像激光雷达。

(5) 按运载平台分，有地基固定式激光雷达、车载激光雷达、机载激光雷达、船载激光雷达、星载激光雷达、弹载激光雷达和手持式激光雷达等。

(6) 按功能分，有激光测距雷达、激光测速雷达、激光测角雷达和跟踪雷达、激光成像雷达，激光目标指示器和生物激光雷达等。

(7) 按用途分，有激光测距仪、靶场激光雷达、火控激光雷达、跟踪识别激光雷达、多功能战术激光雷达、侦毒激光雷达、导航激光雷达、气象激光雷达、侦毒和大气监测激光雷达等。

激光雷达的波长比微波断好几个数量级，又有更窄的波束。因此，于微波雷达相比，激光雷达具有如下优点：

（1） 角分辨率高，速度分辨率高和距离分辨率高。采用距离-多普勒成像技术可以得到运动目标的高分辨率的清晰图象。

（2） 抗干扰能力强，隐蔽性好；激光不受无线电波干扰，能穿越等离子鞘，低仰角工作时，对地面多路径效率不敏感。激光束很窄，只有在被照射的那一点，那瞬间，才能被接收，所以激光雷达发射的激光被截获的概率很低。

（3） 激光雷达的波长短，可以在分子量级上对目标探测。这是微波雷达无能为力的。

（4） 在功能相同的情况下，比微波雷达体积小，重量轻。

当然，激光雷达也有如下缺点：

（1） 激光受大气及气象影响大。大气衰减和恶劣天气使作用距离降低。此外，大气湍流会降低激光雷达的测量精度。

（2） 激光束窄，难以搜索目标和捕获目标。一般先有其他设备实施大空域、快速粗捕目标，然后交由激光雷达对目标进行精密跟踪测量。

二.激光雷达作用距离方程

激光和微波统属电磁波，激光雷达作用距离方程的推导与微波雷达的推导是相似的。从微波雷达作用距离方程可以导出激光雷达方程：

SysAtmTTRDRRGPP444222

式中，PR是接收激光功率（W）；PT发射激光功率（W）；GT是发射天线增益；σ是目标散射截面；D是接收孔径（m）；R是激光雷达达到目标的距离（m）；ηAtm 是单程大气传输系数；ηSys是激光雷达的光学系统的传输系数。定义AR=πD²是有效接收面积（m²）.式中还有：

24TTG

其中

DKaT

两式中，θT是发射激光的带宽；λ是发射激光的波长；Ka是孔径透光常数。

经过整理，式（1）变为 激光雷达原理读书笔记

第3页共9页 SysAtmaTRRKDPP422416

目标的散射截面为

dAT4

式中，Ω是目标的散射立体角；dA是目标的面积；ρT是目标平面反光系数。

激光雷达作用距离可以看成发射一定功率激光后的激光大气传输、目标特性、光学系统传输特性和接收机四项因子的乘积形式。

但是，对于不同的目标，雷达作用距离方程有不同得意义和形式：

1．点目标

如果激光雷达探测到的能量包含从目标上被照亮的光斑点反射回的所有能量，那么在作用距离方程计算中，要用目标上整个被照亮的区域来计算。计算时要用到激光雷达照射目标时的散射截面。

对于一个朗伯散射的点目标。被照射的面积元dA，该截面σPT简化为

dAPTPT4

式中，ρPT是点目标的平均反射系数。代入作用距离方程标准形式中，便得出点目标反回来的接收信号功率为

SysAtmaTTRKRdADPP22444

方程中，均假设发射和接受的光波有相同的波长。

2.扩张目标

如果接收到目标的全部回波光束，就可认为是一个与目标大小有关的扩展目标，并且光斑附近的目标的所有辐射都能反射。在近程探测时，一般看成扩张目标。

当圆光斑照射时，照射的面积为

424TRdA

式中，θT是发射激光的衍射极限角。

对扩展目标的朗伯散射目标有

22TExtExtR

于是有

SysAtmExtTRRDPP224

式中，ρExt是扩展目标的平均反射系数。注意，在近程作用下，大气影响可近似考虑为单程传输影响。

3.线形目标 激光雷达原理读书笔记

第4页共9页 如一般电线，她的长度大于一个被照亮区域的长度，而宽度却小于被照区域宽度。考虑到一个漫射的线性目标，线径为d和长度为RθT，一个与距离R³成反比的关系就可以推出来。θT仍是发射激光极限角。

目标在激光光斑中截面可以近视表示为

dRWW4

于是有

SysAtmaWTRKRdDPP334

式中，ρW是线形目标的平均反射系数。

三.激光雷达作用距离方程的能量形式

将激光雷达作用距离方程中的接收和传输功率变成能量，于是得到激光雷达作用距离方程的能量形式。基本关系下图

距离R

(ET)发射能量

ΩT ΩR

(ER)接受能量

方程式可以改成如下：

RTRCRTTTRRAAREE22

式中，ER是接收机收到的目标返回的能量；ET是发射机的激光能量；R是发射机到目标的距离；RR是接收机到目标的距离；ρ是目标达平均反射率；ηT为包括大气影响的发射光束的单程传输系数；ηR为包括大气影响的接受光束的单程传输系数；ΩT为发射光束的发散角；ΩR为返回光束的发散角，其中Ω取立体角：

Ω＝面积/距离²＝A/R²

AT是目标截面：

224TTRA

点目标 激光雷达原理读书笔记

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Ac是接收机的接收孔径面积：

AcRR2

在许多情况下，还需要确定在特定的接收功率下（或系统的最小可探测公率）的最大作用距离.对这种反问题的求解时，由于激光雷达作用距离方程的非线性，代数求解是困难的。通过牛顿迭代法等可以求反问题的解，得到作用距离方程：

4/12244SysAtmaRTTKPdADPR

四.激光雷达探测原理

激光雷达最重要的性能参数是系统信噪比（SNR）。图（三）给出了激光雷达的非相干和相干接收机方框图。

非相干

接收

PBk B1

相干

接收 PS

PL0

发射天线 B2

背景噪声

（1） 非相干接收机除了信号光功率Ps以外，还有附加项，即背景光功率PBK。。它是由太阳光和物体的自身辐射，物体对辐射的反射、漫反射和闪烁等引起的不必要的噪声信号在接收机非线性光探测器中变为电信号和被放大，经过匹配滤波器和其他抑制噪声的措施后，产生一个视频带宽的有效信号。

（2） 相干接收机中，除了激光器所发出的频率为f0的信号光外还有经过光束分束器的本振光。信号光的回波和本振光一同耦合到光探测。除了接收到光信号光功率PS，外本地震荡光功率PLo，它们一同与背景噪声项PBK相竞争，结果就压抑了噪声。

（3） 背景噪声有：

物体的黑体辐射：

SysAtmRRTBbATP4 光学

滤波 光电

探测器 接收机放大器 电子滤波器

光电

探测器 接收机放大器 电子滤波器

激光器 f0 激光雷达原理读书笔记

第6页共9页 阳光的后向散射：

RSysRIRRSbASkP1

阳光的大气散射：

RSysSRIRRNsAISkP1

上式中，ε是目标的辐射系数;ρ是目标的反射系数;T是目标的温度(K);Δλ是光波长范围(μm);AR是接收机探测器敏感面面积(m²);k1是太阳光通过大气的透过系数;SIRR是太阳的辐射度(12••mmW);IS是大气的散射系数;ηSys是系统的光学效率;ΩR是辐射体辐射的能量的立体角;σT是斯特藩-玻耳兹曼常数.

信噪比的表达

222222LoDKBKTHSNSiiiiiiSNR

式中,2Si 是信号电流的均方值; 2THi是散弹噪声电流的均方值; 2BKi是热噪声电流的均方值;

2DKi是背景噪声电流的均方值; 2Loi是暗电流的均方值;是本振电流的均方值.

将以上电流代入信噪比SNR方程可以得到非相干和相干激光雷达信噪比方程:

非相干激光雷达的信噪比SNR方程可以表示为:

THDkBkSSDPKPKPPBhPSNR212)(2

相干激光雷达的信噪比SNR方程表示为

TH4Dk300D)][(PKPKPPPBhPPSNRLBkSLS

式中,SNR是激光雷达系统的功率信噪比; D是探测器的量子效率;h是普朗克常量; 是激光频率;B是电子带宽;PS是接收信号光功率;PBk背景光功率; DkP是探测器暗电流功率; THP是等效热噪声功率; 0LP是本振光功率.